Mit Hilfe eines Beamchoppers können für die Experimente mit Neutronenstrahlung ultrakurze Strahlungspulse mit hoher Präzision nutzbar gemacht werden. Für Experimente mit Synchrotronstrahlung kann die gleiche Technik als Röntgenpuls-Selektor eingesetzt werden. Die hohen Anforderungen bezüglich Taktfrequenz und Taktfestigkeit können nur durch die Verwendung von reibungsfreien Magnetlagern erfüllt werden.

Im Magnetlagerlabor des Instituts für Grenzflächenforschung und Vakuumphysik (IGV) im Forschungszentrum Jülich sorgen die Wissenschaftler dafür, dass sich so manche Maschine mit minimalem Energieaufwand dreht. Der Trick: Die beweglichen Teile werden zwischen Magneten berührungsfrei gelagert und so die unvermeidlichen Reibungsverluste reduziert.

Damit die Dinge sich nicht hart im Raume stoßen

Der Leiter der Arbeitsgruppe, Johan Fremerey, demonstriert an einem einfachen Modell (Bild 1) das Prinzip solcher „leistungslosen permanentmagnetischen Lager“: Zwei Magnetringe sollten eine Eisenkugel im Idealfall dort in der Schwebe halten, wo sich die Anziehungskräfte ausgleichen. Doch jede winzige Abweichung führt dazu, dass die Kugel zu einer Seite gezogen wird – das Gleichgewicht ist instabil. Die Jülicher Forscher aber haben eine Apparatur entwickelt, die Abweichungen von der optimalen Position sofort registriert. Sie schaltet dann automatisch einen Elektromagneten zu, der das Gleichgewicht wieder herstellt. Sowie dieses erreicht ist, fließt kein Strom mehr. So ist nur eine sehr geringe elektrische Leistung erforderlich, damit die Kugel stets in der idealen Lage zwischen den Magnetringen gehalten wird.

Was hier wie ein nettes Spielzeug der Physiker aussieht, wird bereits vielfältig technisch eingesetzt: Auch die Rotoren von Zentrifugen, bewegliche Teile von Pumpen oder die Achsen schwerer Schwungräder können sich berührungsfrei im Vakuum zwischen zwei Magneten drehen. Die Vorteile sind offensichtlich: keine mechanische Reibung, keine Überhitzung, kein Verschleiß. So verwundert es kaum, dass mit Lizenzprodukten, die auf diesem Jülicher Patent beruhen, in der Industrie bis heute schon Umsätze von etwa 350 Millionen DM erzielt wurden.

Im Stück oder in Scheiben?

Eine ebenfalls im Magnetfeld gelagerte „schwebende Kreissäge“ sorgt dafür, dass von Forschungsreaktoren erzeugte Neutronenstrahlen in die von Wissenschaftlern gewünschten Portionen zerteilt werden. Denn ein Reaktor liefert stets einen kontinuierlichen Fluss von Neutronen; die Forscher benötigen für ihre Experimente aber einzelne Neutronen-Pulse in genau definierten Abständen. Der sogenannte Chopper, der den stetigen Neutronenfluss in solche Stücke zerlegt, ähnelt einer Hightech-Kreissäge: Im Neutronenstrahl dreht sich eine Aluminiumscheibe von etwa einem halben Meter Durchmesser. Sie ist – mit Ausnahme kleiner „Fenster“ – mit Gadoliniumoxid beschichtet und damit für Neutronen undurchlässig. Bei anderen Ausführungen sind Einschnitte in das Material gesägt. Nur wenn sich gerade ein durchlässiger Abschnitt im Strahlengang befindet, können die Neutronen passieren. Die Drehgeschwindigkeit der Scheibe bestimmt also den Rhythmus der Neutronenpulse (Bild 2).

Vor Einführung der Magnetlagertechnik konnten Neutronen-Chopper maximal mit einer Geschwindigkeit von 14.000 Umdrehungen pro Minute (UpM) laufen. Mehr hielten die verwendeten Präzisionskugellager trotz aufwendiger Kühlsysteme nicht aus. Und selbst dann führten Lagerschäden noch zu häufigen Ausfällen. „Das war immer höchst ärgerlich, denn die Neutronenspektrometer sind durch internationale Forscherteams stets ausgebucht. Außerdem ist das Auswechseln von Geräten an kerntechnischen Anlagen natürlich mit großem Aufwand verbunden“, erinnert sich Johan Fremerey. Doch 1985 wurden die ersten magnetgelagerten Neutronen-Chopper „made in Jülich“ am Europäischen Forschungsreaktor des Instituts-Laue-Langevin in Grenoble installiert. Sie ermöglichen Drehzahlen bis zu 20.000 UpM und drehen sich ohne Überhitzung oder mechanische Schäden im Dauerbetrieb. Dabei kommen sie sogar ganz ohne Kühlung aus.

Die guten Erfahrungen in Grenoble sorgten bald für weitere Bestellungen: Inzwischen halten Magnetlager aus Jülicher Fertigung auch die Neutronen-Chopper im Berliner Hahn-Meitner Institut und im Washingtoner Institute of Standards and Technology in der Schwebe.

Ganz schön taktfest -der Röntgenpuls-Selekto

Noch verzwickter ist die Aufgabe, die sich beim Einsatz von „Choppern“ für Experimente am Synchrotron stellt. Hier gilt es nicht einfach, einen kontinuierlichen Teilchenstrom in passende Abschnitte zu zersägen, sondern aus rhythmisch pulsierender Strahlung die jeweils benötigten Anteile herauszufischen. Denn ein Synchrotron liefert die elektromagnetische Strahlung bereits portionsweise: Im Speicherring kreisen separate „Päckchen“ von Elektronen, die in die momentane Flugrichtung strahlen. Je nachdem wie der Ring mit Elektronen gefüllt ist, kommen so unterschiedliche Rhythmen zustande. Doch nicht jeder Takt eignet sich für jedes Experiment. So wünschen sich die Wissenschaftler, die die Struktur von biologischen Molekülen erkunden, kurze Pulse von Synchrotronstrahlung mit relativ langem Abstand. Wenn es nach ihnen geht, darf nur ein einzelnes Elektronenpäckchen im Ring kreisen. Doch da andere Forscher andere Anforderungen haben, wird jedes Synchrotron nur etwa 4 Prozent seiner Laufzeit in diesem „Single Bunch Mode“ betrieben. Die Nutzungszeit für Experimente mit relativ langsamer Frequenz wird jedoch verlängert, wenn die unerwünschten Anteile der Synchrotronstrahlung ausgeblendet werden können.

Die Anforderungen an die dafür benötigte Apparatur einen sogenannten Röntgenpuls-Selektor sind hoch, erläutert der Physiker Bernd Lindenau, der ein solches Gerät am IGV entwickelte: „Wenn das Synchrotron zum Beispiel eine Pulsfolge von 355 Kilohertz liefert, für ein Experiment aber nur 1000 Hertz benötigt werden, muss der Röntgenpuls-Selektor genau für jeden 355. Puls offen sein. Erreicht wird dies durch eine dreieckige Platte aus Titan, die sich im Strahlengang dreht. In eine ihrer Kanten ist ein Kanal von knapp 3 Millimeter Breite und 0,7 Millimeter Höhe gefräst (Bild 3). Nur für 1,5 Mikrosekunden öffnet sich dieser Durchlass und lässt den einige Picosekunden (Billionstel Sekunden) langen Strahlungspuls passieren. Damit das Zusammenspiel klappt, muss das Dreieck genau mit den eintreffenden Strahlungs-Pulsen synchronisiert sein (Bild 4). „Diese Taktfestigkeit ist wiederum nur durch eine reibungslose magnetische Lagerung möglich“, betont Lindenau, und durch eine von seinem Kollegen Jürgen Räbiger entwickelte höchst raffinierte Antriebssteuerung des Rotors. Ein weiterer kleiner Magnet auf dem Röntgenpuls-Selektor sorgt als Markierung dafür, dass er mit dem Synchrotron im Gleichtakt bleibt. Die größtmögliche Genauigkeit ist dabei durch das „Ticken“ der Synchrotron-Uhr vorgegeben: Alle 22,7 Nanosekunden (Milliardstel Sekunden) sendet diese ein Signal aus. „Und genau mit dieser theoretisch erreichbaren Präzision rotiert unsere Scheibe“, so Lindenau. „Noch vor wenigen Jahren haben Fachleute geschrieben, das sei ausgeschlossen.“ Doch an der European Synchrotron Radiation Facility in Grenoble haben die Jülicher das Unmögliche bereits möglich gemacht. Und Folgeaufträge ließen nicht auf sich warten: So wird sich ein baugleicher Röntgenpuls-Selektor bald auch am Argonne National Laboratory in Illinois (UASA) drehen.